计算机体系结构实验三：多Cache一致性算法

简介：
本实验旨在探索和实现多种Cache一致性协议，深入理解分布式存储系统中的数据同步机制与挑战。 在计算机体系结构实验3中，我们将深入探讨多cache一致性算法这一现代计算机系统中的核心问题。多处理器环境中每个处理器通常配备自己的缓存来提高数据访问速度；然而，在多个缓存中存储同一主内存地址的数据副本时可能会出现一致性问题。 本实验的目标是通过模拟器熟悉监听法和目录法这两种解决多cache一致性的方法，理解其原理，并掌握如何在不同读写序列下模拟cache块的状态变化。以监听法为例，每个处理器的缓存都会监控总线上的主内存访问请求；当数据发生变化时，它会向共享总线上发送信号来通知其他缓存在该数据副本上采取相应动作（如无效化或更新）。实验通过一系列读写操作演示了cache块状态的变化过程，包括替换、写回以及从独占到共享、再到无效的转换。 具体来说，在监听法中模拟时记录了每次访问的操作类型（例如读取还是写入）、是否发生缓存替换和数据写回情况及cache块的状态变化。如当CPU A读内存第5个块并将内容加载进Cache A的第一位置，由于没有产生冲突所以新信息直接被送至处理器而该块处于共享状态；之后如果另一个处理器（比如CPU B）对该区域执行写操作，则会更新缓存中的数据并使其他拥有相同副本的cache标记为无效。 对于目录法模拟而言，涉及一个中央管理器来跟踪所有缓存在内存中特定位置的数据一致性。当某处理单元需要访问或修改某个地址时，该控制器根据当前状态和请求性质协调各个处理器间的一致性维护工作。例如，在首次读取第6个块数据期间如果发生不命中，则CPU A需向中央目录发出请求；随后由对应内存模块响应后将信息返回给发起者，并且在共享集合中记录下访问者的标识（如{A}）。若后续有其他处理器尝试写入该位置的数据，它需要通知所有拥有副本的节点将其失效化并更新自身缓存状态。 通过此项实验安排，学生能够掌握如何利用模拟器来展示不同一致性算法下的cache行为，并了解到在多核环境中的数据一致性维持策略。这不仅加深了对多cache一致性的理解，也为未来研究和设计提供指导意义。